1

المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

الرياضيات : المعادلات التفاضلية و التكاملية : معادلات تفاضلية : المعادلات التفاضلية الجزئية :

Euler-Lagrange Differential Equation

المؤلف:  Arfken, G

المصدر:  Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press, 1985.

الجزء والصفحة:  ...

13-7-2018

3020

Euler-Lagrange Differential Equation

 The Euler-Lagrange differential equation is the fundamental equation of calculus of variations. It states that if J is defined by an integral of the form

 J=intf(t,y,y^.)dt,

(1)

where

 y^.=(dy)/(dt),

(2)

then J has a stationary value if the Euler-Lagrange differential equation

 (partialf)/(partialy)-d/(dt)((partialf)/(partialy^.))=0

(3)

is satisfied.

If time-derivative notation y^. is replaced instead by space-derivative notation y_x, the equation becomes

 (partialf)/(partialy)-d/(dx)(partialf)/(partialy_x)=0.

(4)

The Euler-Lagrange differential equation is implemented as EulerEquations[fu[x], x] in the Wolfram Languagepackage VariationalMethods` .

In many physical problems, f_x (the partial derivative of f with respect to x) turns out to be 0, in which case a manipulation of the Euler-Lagrange differential equation reduces to the greatly simplified and partially integrated form known as the Beltrami identity,

 f-y_x(partialf)/(partialy_x)=C.

(5)

For three independent variables (Arfken 1985, pp. 924-944), the equation generalizes to

 (partialf)/(partialu)-partial/(partialx)(partialf)/(partialu_x)-partial/(partialy)(partialf)/(partialu_y)-partial/(partialz)(partialf)/(partialu_z)=0.

(6)

Problems in the calculus of variations often can be solved by solution of the appropriate Euler-Lagrange equation.

To derive the Euler-Lagrange differential equation, examine

deltaJ = deltaintL(q,q^.,t)dt

(7)

= int((partialL)/(partialq)deltaq+(partialL)/(partialq^.)deltaq^.)dt

(8)

= int[(partialL)/(partialq)deltaq+(partialL)/(partialq^.)(d(deltaq))/(dt)]dt,

(9)

since deltaq^.=d(deltaq)/dt. Now, integrate the second term by parts using

u = (partialL)/(partialq^.)        dv

(10)

= d(deltaq)

(11)

du = d/(dt)((partialL)/(partialq^.))dt    v=deltaq,

(12)

so

 int(partialL)/(partialq^.)(d(deltaq))/(dt)dt=int(partialL)/(partialq^.)d(deltaq)=[(partialL)/(partialq^.)deltaq]_(t_1)^(t_2)-int_(t_1)^(t_2)(d/(dt)(partialL)/(partialq^.)dt)deltaq.

(13)

Combining (◇) and (◇) then gives

 deltaJ=[(partialL)/(partialq^.)deltaq]_(t_1)^(t_2)+int_(t_1)^(t_2)((partialL)/(partialq)-d/(dt)(partialL)/(partialq^.))deltaqdt.

(14)

But we are varying the path only, not the endpoints, so deltaq(t_1)=deltaq(t_2)=0 and (14) becomes

 deltaJ=int_(t_1)^(t_2)((partialL)/(partialq)-d/(dt)(partialL)/(partialq^.))deltaqdt.

(15)

We are finding the stationary values such that deltaJ=0. These must vanish for any small change deltaq, which gives from (15),

 (partialL)/(partialq)-d/(dt)((partialL)/(partialq^.))=0.

(16)

This is the Euler-Lagrange differential equation.

The variation in J can also be written in terms of the parameter kappa as

deltaJ = int[f(x,y+kappav,y^.+kappav^.)-f(x,y,y^.)]dt

(17)

= kappaI_1+1/2kappa^2I_2+1/6kappa^3I_3+1/(24)kappa^4I_4+...,

(18)

where

v = deltay

(19)

v^. = deltay^.

(20)

and the first, second, etc., variations are

I_1 = int(vf_y+v^.f_(y^.))dt

(21)

I_2 = int(v^2f_(yy)+2vv^.f_(yy^.)+v^.^2f_(y^.y^.))dt

(22)

I_3 = int(v^3f_(yyy)+3v^2v^.f_(yyy^.)+3vv^.^2f_(yy^.y^.)+v^.^3f_(y^.y^.y^.))dt

(23)

I_4 = int(v^4f_(yyyy)+4v^3v^.f_(yyyy^.)+6v^2v^.^2f_(yyy^.y^.)+4vv^.^3f_(yy^.y^.y^.)+v^.^4f_(y^.y^.y^.y^.))dt.

(24)

The second variation can be re-expressed using

 d/(dt)(v^2lambda)=v^2lambda^.+2vv^.lambda,

(25)

so

 I_2+[v^2lambda]_2^1=int_1^2[v^2(f_(yy)+lambda^.)+2vv^.(f_(yy^.)+lambda)+v^.^2f_(y^.y^.)]dt.

(26)

But

 [v^2lambda]_2^1=0.

(27)

Now choose lambda such that

 f_(y^.y^.)(f_(yy)+lambda^.)=(f_(yy^.)+lambda)^2

(28)

and z such that

 f_(yy^.)+lambda=-(f_(yy^.))/z(dz)/(dt)

(29)

so that z satisfies

 f_(y^.y^.)z^..+f^._(y^.y^.)z^.-(f_(yy)-f^._(yy^.))z=0.

(30)

It then follows that

I_2 = intf_(y^.y^.)(v^.+(f_(yy^.)+lambda)/(f_(y^.y^.))v)^2dt

(31)

= intf_(y^.y^.)(v^.-v/z(dz)/(dt))^2dt.

(32

 


REFERENCES:

Arfken, G. Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press, 1985.

Forsyth, A. R. Calculus of Variations. New York: Dover, pp. 17-20 and 29, 1960.

Goldstein, H. Classical Mechanics, 2nd ed. Reading, MA: Addison-Wesley, p. 44, 1980.

Lanczos, C. The Variational Principles of Mechanics, 4th ed. New York: Dover, pp. 53 and 61, 1986.

Morse, P. M. and Feshbach, H. "The Variational Integral and the Euler Equations." §3.1 in Methods of Theoretical Physics, Part I.New York: McGraw-Hill, pp. 276-280, 1953.

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي